0.   引言

煤炭是我国能源安全的压舱石，厚煤层储量和产量分别约占煤炭总储量和总产量的45%和50%，是保障煤炭供给的主力煤层^[1]。综放开采是厚煤层的主要开采方法之一，但在目前的生产实践中仍常以“耳听”、“目测”等主观决策方法作为停止放煤的判断依据^[2]，导致普遍存在顶煤放出率低、含矸率高等问题^[3]，制约着综放工作面智能化改造与升级。为实现对放煤过程的精准控制，射线^[4-5]、视觉^[6-7]、振动^[8-9]、声音^[10-11]、红外光谱^[12-13]等被用于放煤过程中的煤矸识别。上述方法大都采用非接触式探测手段，即传感器不与被放出的煤矸块体直接接触，导致信号采集精度和效率极易受井下恶劣环境影响。放煤过程中，支架与被放出煤矸块体直接接触，煤矸块体的运动受到支架顶梁、掩护梁及尾梁所组成边界的限制^[14-15]，且整个放煤期间相较掩护梁和尾梁，顶梁与顶煤之间的接触状态比较稳定。因此，可通过研究放煤过程中支架顶梁动态载荷演化特征，为基于支架顶梁载荷的接触式煤矸识别方法提供新的思路。

围绕综放开采液压支架承载特性，众多学者开展了大量研究工作。刘长友等^[16]采用现场实测的方法，分析得出放煤后液压支架顶梁载荷的平均值较放煤前显著降低。Song Zhengyang等^[17]采用数值模拟的方法，研究了放煤过程中支架所受垂直载荷演化规律，得出在煤矸流场影响下，支架所受垂直载荷具有明显的先减小后增大的变化规律。Yang Yang等^[18]监测了放煤过程中后尾梁油缸压力，并将其作为放煤过程煤矸识别信号源。覃洪雨^[19]构建了支架外加载机液联合仿真模型，优化了支架薄弱区域的承载结构，分析了液压支架在常规姿态和非常规姿态（高架低用）且背压工作时的受力状况。袁祥^[20]基于空间载荷对称理论，耦合位姿感知模型，建立了液压支架的二维空间负载特性感知模型，分析了顶梁−直接顶摩擦因数、立柱工作阻力及平衡千斤顶工作阻力等因素对支架负载的影响机制。李宏扬^[21]采用动力学仿真方法，分析了液压支架顶梁在不同形式面载荷下的应力变化情况。上述研究大多重点关注放煤前后的支架承载特性，或在给定载荷情况下分析支架的力学响应特征，忽略了对载荷变化过程的分析。

本文采用相似模拟试验的方法，借助散体颗粒模拟破碎煤矸块体，反演综放工作面的放煤过程，利用薄膜压力传感器实时采集支架顶梁压力，分析顶煤放出过程中支架顶梁动态载荷演化特征。

1.   试验平台

为模拟放煤过程，按几何相似比1∶10搭建放顶煤支架动态载荷相似模拟试验平台，如图1所示，该平台主要包括颗粒箱体、液压支架模型和压力信号采集系统。

图  1  放顶煤支架动态载荷相似模拟试验平台

Figure  1.  Dynamic load similarity simulation test platform for top coal caving support

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颗粒箱体由13 mm厚有机玻璃组成，用于放置散体颗粒。箱体下部为6 mm钢板制成的液压支架模型，主要包括顶梁、可调节角度的掩护梁、尾梁。尾梁与箱体下部闭合，防止散体颗粒在放煤开始前漏出，通过控制尾梁的旋转来模拟放煤口的开关。

压力信号采集系统由薄膜压力传感器及采集器组成。将薄膜压力传感器铺设于支架顶梁上方，实时监测顶梁压力。采集器选用FPS01W−C型无线通信压力分布测量仪（数据采集频率可达100 Hz），实时采集传感器监测的顶梁压力。薄膜压力传感器如图2所示，红色虚线框内为测试区域，尺寸为15 cm×15 cm，包含256个压力测点，单测点量程为500 kPa，尺寸为7.5 mm×7.5 mm，按16行×16列矩阵排列，每个测点均可单独输出压力变化曲线。

图  2  薄膜压力传感器

Figure  2.  Thin-film pressure sensor

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2.   试验方案

2.1   散体颗粒级配比例

由于本文关注在矿山压力作用下已经破碎的顶煤块体被放出的过程，所以采用鹅卵石作为散体颗粒，模拟破碎煤岩块体。在实际综放工作面，顶煤破碎后的块度大小不一，因此根据某矿综放工作面放出顶煤块度的实测结果，按照几何相似比进行散体颗粒级配混合。为简化配比，将实测数据进行四舍五入取整，散体颗粒级配比例见表1。

表  1  散体颗粒级配比例

Table  1.  Granular particle size distribution

现场实测结果			相似模拟参数
直径/cm	占比/%		直径/cm	占比/%
(0，9]	13.83		(0，1]	14.0
(9，18]	46.31		(1，2]	46.0
(18，27]	20.34		(2，3]	20.0
(27，36]	19.52		(3，4]	20.0

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2.2   相似模拟试验流程

首先对薄膜压力传感器进行归零处理。然后将不同直径的散体颗粒混合均匀铺设在颗粒箱体内部（自然安息角为39°），读取当前薄膜压力传感器数据，作为试验的初始压力。最后旋转尾梁打开放煤口，使散体颗粒在重力作用下自然放出，记录该过程中薄膜压力传感器各测点的压力变化情况。试验前后散体颗粒分布情况如图3所示。

图  3  试验前后散体颗粒分布情况

Figure  3.  Distribution of granular particles before and after the experiment

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2.3   压力监测方案

在相似模拟试验中，散体颗粒与薄膜压力传感器中的测点不能完全接触，导致部分测点在试验过程中未监测到有效数据。因此，本文对薄膜压力传感器监测区域进行划分，对各测区测点所受压力求和，分析液压支架顶梁载荷演化特征。

1） 一级测区：为减少散体颗粒放出过程中箱体边界对顶梁载荷的影响，选取薄膜传感器中部的128个测点作为一级测区，如图4（a）所示，以分析散体颗粒放出过程中液压支架顶梁整体载荷变化情况。

图  4  压力测区分布

Figure  4.  Distribution of pressure measuring area

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2） 二级测区：将一级测区划分为前后2个部分，得到2个二级测区，如图4（b）所示，其中2−1测区距离支架掩护梁较远、2−2测区紧邻掩护梁。每个二级测区包含64个测点，以分析液压支架顶梁载荷沿顶梁长度方向的演化特征。

3） 三级测区：将各二级测区进一步划分为4个区域，共计8个三级测区，如图4（c）所示，其中3−1，3−3，3−5和3−7测区位于支架顶梁左半幅，3−2，3−4，3−6和3−8测区位于支架顶梁右半幅。每个三级测区包含16个测点，以分析液压支架顶梁载荷沿顶梁宽度方向的演化特征。

2.4   数据分析方法

由于散体颗粒与薄膜压力传感器之间难以完全接触，加之上部散体颗粒的挤压作用，导致各测点间的压力存在差异，且很容易在某些测点产生压力集中的现象。所以，以测区初始压力为基准，用散体颗粒放出过程中的压力与初始压力的比值表征各测区实际的压力变化。

3.   试验结果

3.1   一级测区支架顶梁载荷特征

将一级测区内全部128个测点的压力求和，得到散体颗粒放出过程中支架顶梁载荷变化曲线，如图5所示。

图  5  一级测区支架顶梁载荷变化曲线

Figure  5.  Load variation curve of support top beam in the first-level measuring area

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由图5可知，一级测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.6 s左右开始增大，并在后续1.1 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大7%，散体颗粒放出2.7 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的29%并保持稳定。从整体来看，散体颗粒的放出对支架顶梁载荷产生了较为明显的影响，即随着散体颗粒的放出，载荷整体呈先增大后减小最终稳定的演化规律。

3.2   二级测区支架顶梁载荷特征

分别将2个二级测区的各64个测点的压力求和，得到散体颗粒放出过程中支架顶梁载荷变化曲线，如图6所示。

图  6  二级测区支架顶梁载荷变化曲线

Figure  6.  Load variation curves of support top beam in the second-level measuring area

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由图6可知，2−1测区（远离掩护梁）支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.6 s左右开始增大，并在后续1.1 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大7%，散体颗粒放出2.7 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的39%并保持稳定。2−2测区（靠近掩护梁）支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.6 s左右开始增大，并在后续1.0 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大9%，散体颗粒放出2.6 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的19%并保持稳定。

综上，沿顶梁长度方向，各区域支架顶梁载荷整体上保持先增大后减小最终稳定的演化规律，但支架顶梁距离掩护梁越远的位置受散体颗粒放出的影响越小，主要表现在距离掩护梁越远，顶梁载荷峰值相较初始值的增幅越小，且达到载荷峰值所需的时间越长。

3.3   三级测区支架顶梁载荷特征

分别将8个三级测区的各16个测点的压力求和，得到散体颗粒放出过程中支架顶梁载荷变化曲线，如图7所示。

图  7  三级测区支架顶梁载荷变化曲线

Figure  7.  Load variation curves of support top beam in the third-level measuring area

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由图7（a）—图7（d）可知，3−1测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.6 s左右开始增大，并在后续1.0 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大4%，散体颗粒放出2.6 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的44%并保持稳定；3−2测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.6 s左右开始增大，并在后续1.6 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大8%，散体颗粒放出3.2 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的48%并保持稳定；3−3测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.4 s左右开始增大，并在后续1.2 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大5%，散体颗粒放出2.6 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的32%并保持稳定；3−4测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.6 s左右开始增大，并在后续1.1 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大11%，散体颗粒放出2.7 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的38%并保持稳定。整体来看，2−1测区下划分的4个三级测区整体的支架顶梁载荷演化规律与2−1测区基本相同，其中，3−1和3−3测区支架顶梁载荷增大速率较小、载荷峰值较小，而3−2和3−4测区支架顶梁载荷增大速率较大、载荷峰值较大。

由图7（e）—图7（h）可知，3−5测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出过程中未表现出明显的载荷增加趋势，最终载荷减小到初始值的28%并保持稳定；3−6测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.5 s左右开始增大，并在后续1.2 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大16%，散体颗粒放出2.7 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的26%并保持稳定；3−7测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出2.5 s左右开始增大，并在后续1.1 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大9%，散体颗粒放出3.6 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的9%并保持稳定；3−8测区支架顶梁载荷在散体颗粒放出1.5 s左右开始增大，并在后续1.4 s内持续大于初始载荷，载荷峰值相较初始值增大20%，散体颗粒放出2.9 s后载荷相较初始载荷开始减小，最终减小到初始值的7%并保持稳定。整体来看，2−2测区下划分的4个三级测区整体的支架顶梁载荷演化规律与2−2测区基本相同，但3−5测区没有明显的载荷增加现象，3−7测区的载荷增加现象较其他测区出现了延后。

为更直观地展示三级测区支架顶梁载荷演化特征，将8个三级测区的试验数据进行汇总，见表2。

表  2  三级测区支架顶梁载荷特征

Table  2.  Load characteristics of support top beam in the third-level measuring area

测区	载荷峰值相较 初始值增幅/%	载荷增大时对应的 放煤时间/s	载荷增大 持续时间/s
3−1	4	1.6	1.0
3−2	8	1.6	1.6
3−3	5	1.4	1.2
3−4	11	1.6	1.1
3−5	5	—	—
3−6	16	1.5	1.2
3−7	9	2.5	1.1
3−8	20	1.5	1.4

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由表2可知，散体颗粒放出过程中各三级测区支架顶梁载荷峰值较初始值增大4%～20%，距离掩护梁越近，散体颗粒放出对顶梁上部载荷的影响越大；除3−5测区外，其余7个测区均监测到在散体颗粒放出过程中顶梁载荷呈先增大后减小最终稳定的演化规律；除3−7测区外，顶梁载荷均在散体颗粒放出1.5 s左右开始增大；载荷增大的持续时间为1.0～1.6 s。将8个测区分为左右半幅进行横向对比，可看出散体颗粒的放出对右半幅测区支架顶梁载荷峰值影响更大，右半幅测区支架顶梁载荷峰值相较初始值平均增幅为13.75%，左半幅测区支架顶梁载荷峰值相较初始值平均增幅为5.75%；而左右半幅测区支架顶梁载荷增大时对应的放煤时间、载荷增大持续时间的平均值相近。

综上，在三级测区中，支架顶梁载荷仍基本保持先增大后减小最终稳定的演化规律。沿顶梁宽度方向，由于散体颗粒的放出过程受到约束边界或流动过程不均衡性的限制，左右半幅测区支架顶梁载荷峰值具有差异性，右半幅测区支架顶梁载荷峰值相较初始值的增幅为左半幅测区的2.4倍。

4.   结论

1） 从整体来看，顶煤的放出对支架顶梁载荷产生了较为明显的影响，即随着顶煤放出，顶梁载荷整体呈先增大后减小最终稳定的演化规律。

2） 沿顶梁长度方向，支架顶梁距离掩护梁越远的位置受顶煤放出的影响越小，主要表现在距离掩护梁越远，顶梁载荷峰值相较初始值的增幅越小，且达到载荷峰值所需的时间越长。

3） 沿顶梁宽度方向，由于顶煤的放出过程受到了约束边界或流动过程不均衡性的限制，顶梁不同位置的载荷峰值具有差异性，顶梁载荷峰值相较初始值的增幅最大值达到了最小值的2.4倍。